论文部分内容阅读
2007年7月，由中国科学院国家授时中心与西安高华科技有限公司合作建设的“中国科学院国家授时中心BPC商丘低频时码发播台”在河南省商丘市建成并进行试验发播，电波钟表授时信号发送半径达2000公里。但消费者在使用电波钟表对接收信号时强时弱感到不理解，本文就电波钟表授时信号在空间是如何传播的进行解读，以解除电波钟表使用者心中的困惑。
电波钟表授时信号的传播主要依靠地波和天波。通常在250～350公里以内，电波钟表授时信号的地波比天波强的多，地波占优势；2000～3000公里以外，天波占优势；在两者之间的距离内，天地波同时存在，形成干涉区。
一般地，电波钟表接收点的场强就可以表示为地波 ( 沿地面传播的波 ) 场强与一跳、二跳、三跳天波等场强的和。
电波钟表授时信号地波传播原理
实际地球近似于一个球体，由于地球曲率的影响，从发射出发的直达波射线只能到达靠近场源的照明区，而在照明区以外的阴影区，射线则受到地面的遮蔽。高频电波近似于以光波的规律传播，因此，仅在照明区内以直射波方式有效传播。电波钟表授时信号属于低频无线电波，它的波长在2500米到10000米之间，因而电波地面绕射能力强，此时在照明区以外的半阴影区和阴影区，仍会有相当强的电波以绕射波方式有效传播。
因此，电波钟表授时信号的地波场强不仅与发射天线的辐射功率、传播的距离有关，同时，由于绕射波的存在，地波场强又与电波钟表授时信号电波的频率、路径的导电率以及大气折射指数等因素有关。
电波钟表授时信号以地波方式沿地面传播的无线电波，由于不受电离层随机扰动的影响，所以一般受气候和昼夜变化等因素的影响很小，在传播中场强和相位具有很强的稳定性，可以传播到很远的距离。同时，由于电波钟表授时信号的地波具有较强的绕射能力，除了靠近场源的照明区直达波射线外，在照明区以外的半阴影区和阴影区，仍会有相当强的波场存在。因而，一般距发射台500～800公里范围内，电波钟表授时信号以接收发射的地波为主。
电波钟表授时信号天波传播原理
包围地球表面的整个空间叫做大气层，大气层分为不同的层并给出许多不同的分法。从大气物理学的角度，按温度沿高度可粗略地分为四层：对流层 ( 从地面算起 )、平流层 ( 在极区从约10公里算起，在赤道从16公里算起 )、电离层 ( 一般从60公里算起 ) 与外电离层 ( 从1000至2000公里算起 )，其中，电离层从低到高，又可以依次分为D层 ( 离地面约50～90公里 )、E层（离地面约90～130公里 ) 和F层 ( 离地面约130公里以上 ) 等。但从电波传播的角度，感兴趣的只是大气的折射指数n或折射率N及其沿高度分布，以60公里为界，分为对流层与电离层二层。
按照电波钟表授时信号天波传播的“波跳”理论，授时信号从发射天线辐射，经对流层大气，在低电离层被反射，再经对流层到达接收点。其电波传播受到了对流层和低电离层的影响。
电波钟表授时信号天波传播信道为地表、对流层和低电离层 ( 白天为D层，夜晚为E层的底部 )。当辐射源位于地面与电离层之间，由于地与低电离层面具有良好的反射作用，源所激起的电磁波除少量被地与低电离层吸收以及通过“哨声模”传播方式穿透电离层外，绝大部分能量通过地与低电离层界面的交替反射，传播到远处。根据天波在传播过程中所遭受的电离层反射的次数，天波又分为一跳天波、二跳天波……n跳天波等，所谓的n跳天波系指电离层n次反射的波。
电波钟表授时信号的天波靠低电离层的反射进行传播，其传播要受到地与低电离层之间实际大气的影响。因此，电波钟表授时信号的天波传播场强，不仅和发射天线的辐射功率有关，而且与天波传播路径有很大关系，电波钟表授时信号天波信号也就受电离层变化影响较大。
电离层基本参数的时间变化 ( 昼夜的、季节的、11周年的变化 ) 和空间变化 ( 纬度的、经度的、高度的变化 ) 主要受太阳活动的控制。电波钟表授时信号天波信号受电离层变化，即随昼夜变化、季节变化、太阳活动有以下特点：
① 由于受到低电离层的影响，场强具有明显的昼夜变化。夜间场强增大，当传播路径处于全黑夜时信号最强，全白天时信号最弱。
② 电波钟表授时信号天波信号场强的季节变化不太明显，一般冬季白天接收点场强比夏季白天弱。这是因为夏季D层电子浓度比冬季大，而授时信号天波信号在白天靠D层反射，D层电子浓度大，反射损耗小。夜间场强四季变化不大，因授时信号天波信号夜间靠E层反射，该层的电子浓度比较稳定。
③ 电波钟表授时信号天波的场强与太阳的活动性有关，即与太阳的十一年周期变化相关，它随太阳活动性和磁暴的增加而增加，因这一期间电离层底部的电子浓度梯度增加所引起。
电波钟表授时信号天地波干涉
由于低频时码授时在发达国家因国土面积的限制，应用的用户大多在地波作用区内，对于远距离用户的应用考虑较少。而我国幅员辽阔，为了单台覆盖尽可能大的用户区，必须考虑对天波加以利用，必然无法回避天地波干涉造成的影响。
电波钟表授时信号在天地波共同作用区内，天地波是无法分离的。天地波干涉造成了接收信号的衰落，在某些区域或某个区域的某个时段，信干比会很低，直接影响时码信号的接收和解码。
由于低频无线信道的复杂性，通过低频信道传播的信号往往会沿不同的路径到达接收点，这一现象就是电波钟表授时信号的多径传输。电波钟表授时信号典型的多径传播模型通路为地波绕射和天波反射。发射点发出的电波可能通过多条路径到达接收点，可以是地波，也可以是一跳天波或二跳天波等。经多径传输后的接收信号将是多径信号的合成。低频无线电信号通过多径信道时，会受到多径衰落损失电场强度。
对电波钟表授时信号的实测数据与理论计算进行分析，发现其具有以下特点：
① 电波钟表授时信号场强随时间发生周期性变化，场强最大值和最小值发生在天波与地波信号同相与反相时刻，日出与日落时由于天地波的干涉而出现强烈的衰落。电波钟表授时信号场强存在明显的昼夜变化；信号夜间比白天强，昼夜信号电平均差200～275μV/m。
② 电波钟表授时信号场强随季节变化不太明显，一般冬季白天接收点的场强比夏季白天的弱，夜间场强四季变化不大。
③ 电波钟表授时信号场强随太阳的活动而变化，一般太阳活动期内场强衰落十分明显。
了解了电波钟表授时信号地波、天波以及天地波干涉的特点，由此总结出影响电波钟表授时信号场强的有关因素。电波钟表授时信号的天地波场强不仅与发射天线的辐射功率、传播的距离有关，还与电波的频率、路径的导电率、大气折射指数、电离层变化等因素有关。因而，电波钟表产品在使用中，应该掌握授时信号的变化特点，扬长补短，有目的的选择使用环境。例如，在距离发射台较远的区域，可以选择夜间接收等等。
电波钟表授时信号的传播主要依靠地波和天波。通常在250～350公里以内，电波钟表授时信号的地波比天波强的多，地波占优势；2000～3000公里以外，天波占优势；在两者之间的距离内，天地波同时存在，形成干涉区。
一般地，电波钟表接收点的场强就可以表示为地波 ( 沿地面传播的波 ) 场强与一跳、二跳、三跳天波等场强的和。
电波钟表授时信号地波传播原理
实际地球近似于一个球体，由于地球曲率的影响，从发射出发的直达波射线只能到达靠近场源的照明区，而在照明区以外的阴影区，射线则受到地面的遮蔽。高频电波近似于以光波的规律传播，因此，仅在照明区内以直射波方式有效传播。电波钟表授时信号属于低频无线电波，它的波长在2500米到10000米之间，因而电波地面绕射能力强，此时在照明区以外的半阴影区和阴影区，仍会有相当强的电波以绕射波方式有效传播。
因此，电波钟表授时信号的地波场强不仅与发射天线的辐射功率、传播的距离有关，同时，由于绕射波的存在，地波场强又与电波钟表授时信号电波的频率、路径的导电率以及大气折射指数等因素有关。
电波钟表授时信号以地波方式沿地面传播的无线电波，由于不受电离层随机扰动的影响，所以一般受气候和昼夜变化等因素的影响很小，在传播中场强和相位具有很强的稳定性，可以传播到很远的距离。同时，由于电波钟表授时信号的地波具有较强的绕射能力，除了靠近场源的照明区直达波射线外，在照明区以外的半阴影区和阴影区，仍会有相当强的波场存在。因而，一般距发射台500～800公里范围内，电波钟表授时信号以接收发射的地波为主。
电波钟表授时信号天波传播原理
包围地球表面的整个空间叫做大气层，大气层分为不同的层并给出许多不同的分法。从大气物理学的角度，按温度沿高度可粗略地分为四层：对流层 ( 从地面算起 )、平流层 ( 在极区从约10公里算起，在赤道从16公里算起 )、电离层 ( 一般从60公里算起 ) 与外电离层 ( 从1000至2000公里算起 )，其中，电离层从低到高，又可以依次分为D层 ( 离地面约50～90公里 )、E层（离地面约90～130公里 ) 和F层 ( 离地面约130公里以上 ) 等。但从电波传播的角度，感兴趣的只是大气的折射指数n或折射率N及其沿高度分布，以60公里为界，分为对流层与电离层二层。
按照电波钟表授时信号天波传播的“波跳”理论，授时信号从发射天线辐射，经对流层大气，在低电离层被反射，再经对流层到达接收点。其电波传播受到了对流层和低电离层的影响。
电波钟表授时信号天波传播信道为地表、对流层和低电离层 ( 白天为D层，夜晚为E层的底部 )。当辐射源位于地面与电离层之间，由于地与低电离层面具有良好的反射作用，源所激起的电磁波除少量被地与低电离层吸收以及通过“哨声模”传播方式穿透电离层外，绝大部分能量通过地与低电离层界面的交替反射，传播到远处。根据天波在传播过程中所遭受的电离层反射的次数，天波又分为一跳天波、二跳天波……n跳天波等，所谓的n跳天波系指电离层n次反射的波。
电波钟表授时信号的天波靠低电离层的反射进行传播，其传播要受到地与低电离层之间实际大气的影响。因此，电波钟表授时信号的天波传播场强，不仅和发射天线的辐射功率有关，而且与天波传播路径有很大关系，电波钟表授时信号天波信号也就受电离层变化影响较大。
电离层基本参数的时间变化 ( 昼夜的、季节的、11周年的变化 ) 和空间变化 ( 纬度的、经度的、高度的变化 ) 主要受太阳活动的控制。电波钟表授时信号天波信号受电离层变化，即随昼夜变化、季节变化、太阳活动有以下特点：
① 由于受到低电离层的影响，场强具有明显的昼夜变化。夜间场强增大，当传播路径处于全黑夜时信号最强，全白天时信号最弱。
② 电波钟表授时信号天波信号场强的季节变化不太明显，一般冬季白天接收点场强比夏季白天弱。这是因为夏季D层电子浓度比冬季大，而授时信号天波信号在白天靠D层反射，D层电子浓度大，反射损耗小。夜间场强四季变化不大，因授时信号天波信号夜间靠E层反射，该层的电子浓度比较稳定。
③ 电波钟表授时信号天波的场强与太阳的活动性有关，即与太阳的十一年周期变化相关，它随太阳活动性和磁暴的增加而增加，因这一期间电离层底部的电子浓度梯度增加所引起。
电波钟表授时信号天地波干涉
由于低频时码授时在发达国家因国土面积的限制，应用的用户大多在地波作用区内，对于远距离用户的应用考虑较少。而我国幅员辽阔，为了单台覆盖尽可能大的用户区，必须考虑对天波加以利用，必然无法回避天地波干涉造成的影响。
电波钟表授时信号在天地波共同作用区内，天地波是无法分离的。天地波干涉造成了接收信号的衰落，在某些区域或某个区域的某个时段，信干比会很低，直接影响时码信号的接收和解码。
由于低频无线信道的复杂性，通过低频信道传播的信号往往会沿不同的路径到达接收点，这一现象就是电波钟表授时信号的多径传输。电波钟表授时信号典型的多径传播模型通路为地波绕射和天波反射。发射点发出的电波可能通过多条路径到达接收点，可以是地波，也可以是一跳天波或二跳天波等。经多径传输后的接收信号将是多径信号的合成。低频无线电信号通过多径信道时，会受到多径衰落损失电场强度。
对电波钟表授时信号的实测数据与理论计算进行分析，发现其具有以下特点：
① 电波钟表授时信号场强随时间发生周期性变化，场强最大值和最小值发生在天波与地波信号同相与反相时刻，日出与日落时由于天地波的干涉而出现强烈的衰落。电波钟表授时信号场强存在明显的昼夜变化；信号夜间比白天强，昼夜信号电平均差200～275μV/m。
② 电波钟表授时信号场强随季节变化不太明显，一般冬季白天接收点的场强比夏季白天的弱，夜间场强四季变化不大。
③ 电波钟表授时信号场强随太阳的活动而变化，一般太阳活动期内场强衰落十分明显。
了解了电波钟表授时信号地波、天波以及天地波干涉的特点，由此总结出影响电波钟表授时信号场强的有关因素。电波钟表授时信号的天地波场强不仅与发射天线的辐射功率、传播的距离有关，还与电波的频率、路径的导电率、大气折射指数、电离层变化等因素有关。因而，电波钟表产品在使用中，应该掌握授时信号的变化特点，扬长补短，有目的的选择使用环境。例如，在距离发射台较远的区域，可以选择夜间接收等等。